专利名称：具有优化的锁紧槽和脊部的锻压式紧固件及其设计方法
技术领域：
本发明涉及一种两件锻压式紧固件，它包括一销和一套环，所述套环用来挤压进销中的锁紧槽中，并且更具体地说涉及具有设计用于多种用途中的优化的锁紧槽和脊部的锻压式紧固件，它具有由不同材料构成的具有不同强度的多个套环。由于锁紧槽和脊部能够在挤压期间接收来自由强度不同的材料制成的套环的受锻压材料。还提供一种设计紧固件的方法，该紧固件具有这样一种锁紧槽和脊部几何形状，该几何形状经过优化并且设置成用在具有不同材料和强度的套环的多个用途中的一致结构。
背景技术：
锻压紧固件可以为拖拉式或树桩式。典型的锻压式紧固件包括一销和一套环，并且拖拉式紧固件具有一销体，该销体具有带有锁紧槽的锁紧部分和带有拖拉槽的拖拉部分。拖拉槽适用于由在具有锻压砧座的安装工具的卡盘爪中的配合齿夹持，该锻压砧座适用于接合套环，由此可以在销和套环之间施加相对轴向力以使砧座在套环上运动以将它锻压进锁紧槽中。
对于拖拉式锻压紧固件而言，拖拉部分通过强度减小的易断槽与锁紧槽部分连接，该易断槽用来在轴向拉伸力为大于锻压套环所需的预定大小的情况下断裂，由此拖拉部分或销尾将被割断并且在完成锻压之后从销体中拆除。易断槽具有足够的强度以承受用于锻压的高拉伸负载，并且拖拉槽同样必须具有足够的强度以接受由安装工具的夹盘爪的啮合齿施加的相对轴向拖拉负载。这一般需要拖拉部分具有相对较大的直径，从而具有足够的材料以为易断槽提供必要的尺寸和强度，并且还抑制拖拉槽而不是易断槽的断裂。
典型的树桩型紧固件包括一销和一套环，该销具有一销体，该销体具有带有锁紧槽的锁紧部分。拖拉式锻压紧固件和树桩式锻压紧固件之间的差别在于，树桩式没有具有拖拉槽的拖拉部分。还有，在树桩式紧固系统中，采用这样一种安装工具，它具有用来接合套环在销和套环之间施加相对轴向力从而使砧座在套环上运动以将它锻压进锁紧槽中的锻压砧座以及用来接合销头部的顶撞部件。
美国专利6325582；6233802；5125778；5090852；5049016；4867625；4813834；4472096；4221152和4208943授予本发明的受让人或者所感兴趣的前辈。这些专利都涉及各种锻压紧固件设计，并且为现有技术的代表。在现有技术中，紧固件通常优化用于特定用途的特定套环。还有，在现有技术中，紧固件通常具有单夹持范围。单夹持范围意味着紧固件可以紧固其厚度变化为1/16英寸的工件。
发明概述本发明所采用的优选技术与现有技术不同的之处在于，针对用于特定用途的特定套环对紧固件进行优化。在本发明中，锁紧槽和脊部几何形状优化用在许多用途中，其中锁紧槽和脊部每个都设有特定用途所需的最长宽度，以在锁紧槽填充有来自具有各种强度的不同套环的各种材料时在多个用途中提供具有令人满意的夹紧和拉伸负载以及抵抗失效的能力。还有，这些锁紧槽和脊部几何形状具有用在多种用途中的一致结构，这使得可以用使用共同锁紧槽和脊部几何形状的加工工具制造出用于每个销直径的锁紧槽和脊部。这种方法降低了与加工相关的成本。
另外，对于每个销的尺寸，某些由不同材料形成的套环具有大约相同的外径，因此可以使用具有一致锻压砧座几何形状的安装工具将那些由不同材料形成的套环锻压进锁紧槽中以针对剪切、剪切/拉伸、剪切复合和剪切/拉伸复合用途将锻压式紧固件安装在工件中。这种方法降低了与在更换用在这些用途中的工具中的锻压砧座中的劳力相关的成本。
另外，本发明的紧固件具有双重夹紧范围。双重夹紧意味着，紧固件可以紧固其厚度变化直到1/8英寸的工件。这种方法增加了该紧固件的通用性。
本发明的一个目的在于提供一种锻压式紧固件，它具有一销部件，该销部件具有这样一种锁紧槽和脊部几何形状，该几何形状经过优化以能够让由具有各种材料和强度的套环锻压进锁紧槽中，并且锁紧槽和脊部对于每个销直径而言具有一致的结构以便与由具有不同材料和强度的套环接合使用。
本发明的另一个目的在于提供一种锻压式紧固件，它具有一销部件，它具有这样一种锁紧槽和脊部几何形状，该几何形状被优化成能够将具有各种材料和强度的套环锻压进锁紧槽中，其中各种材料使得该紧固件具有不同的夹紧和拉伸负载以便用在多种用途中。
本发明的再一个目的在于提供一种锻压式紧固件，它具有一销部件，它具有这样一种锁紧槽和脊部几何形状，该几何形状被优化成能够将具有各种材料和强度的套环锻压进锁紧槽中，其中某些套环具有大约相同的外径，这使得能够使用具有一致锻压空腔的锻压砧座的共同安装工具将这些由不同材料形成的套环锻压进锁紧槽中，以针对剪切、剪切/拉伸、剪切复合和剪切/拉伸复合用途将锻压式紧固件安装在工件中。
本发明的再一个目的在于提供一种具有双重夹紧范围的锻压式紧固件。
本发明的再一个目的在于提供一种设计锻压式紧固件的方法，该紧固件具有这样一种锁紧槽和脊部几何形状，该几何形状被优化成能够将具有不同材料和强度的套环锻压进锁紧槽中，其中各种材料为紧固件提供不同的夹紧和拉伸负载以便用在多种用途中。
本发明的某些目的通过这样一种紧固系统来实现，该系统包括一紧固件，用于将多个工件固定在一起，该紧固系统具有一销部件，该故见具有经过优化的锁紧槽和脊部几何形状。优化的锁紧槽和脊部几何形状适用于接收来自多个具有不同材料和强度的套环的受锻压材料，以便在具有不同负载要求的多个用途中紧固工件，其中锁紧槽设有设有对于第一个用途而言具有较低强度或者对于第二个用途而言具有更大强度的套环所需要的最长宽度，并且脊部设有对于第二个用途而言具有更大强度的套环所需要的最长宽度，由此该紧固系统在锁紧槽填充有不同套环材料时将在多个用途中提供令人满意的夹紧和拉伸负载以及抵抗失效的能力。这种优化导致紧固件的尺寸和重量整体减小，并且锁紧槽和脊部具有一致的结构以便与具有不同材料和强度的套环使用。销部件的锁紧槽和脊部几何形状具有用在多个用途中的一致结构，并且一个或多个销部件具有共同的直径。某些具有不同强度的套环设有大约相同的外径。这种结构使得能够使用具有带有一致锻压空腔的锻压砧座的共同安装工具来将锻压式紧固件安装在用于剪切、剪切/拉伸、剪切复合和剪切/拉伸复合用途的工件中，所述安装工件将具有不同强度的这些套环锻压进销部件的锁紧槽中。
本发明的其它目的通过一种设计用在紧固系统中的紧固件的方法来实现。该方法包括获得用于多个用途的夹紧和拉伸负载要求；通过为锁紧槽设置对于第一用途而言具有较低强度或者对于第二用途具有较大强度的套环所需要的最长宽度来优化锁紧槽几何形状；通过为脊部设置对于第二用途具有较大强度的套环所需要的最长宽度来优化脊部几何形状。该方法使得能够用具有共同直径的一个或多个销部件使用于多个用途中的销部件的优化锁紧槽和脊部几何形状标准化。还有具有不同强度材料的某些套环设有大约相同的外径，这些套环适用于锻压进锁紧槽中以在剪切、剪切/拉伸、剪切复合和剪切/拉伸复合用途中为紧固系统提供令人满意的夹紧和拉伸负载以及抵抗失效的能力。
锻压式紧固件用于多种不同的用途，它包括利用预定的夹紧和拉伸负载连接由各种材料形成的工件。例如，在飞船用途中，工件为由轻金属例如铝形成或者可以由复合材料制成。本发明的锻压式紧固件尤其有用，因为它可以用于紧固金属工件、复合工件或其组合工件。因此，本发明的锻压式紧固件尤其有利的是，由于销部件的经优化锁紧槽能够填充不同套环的各种材料，所以它可以用在各种用途中。
附图的简要说明
图1为处于装配关系的本发明紧固件一纵视图，其一些部分以剖面显示出并且另一些部分断开显示出，并且一部分工具显示作为在安装之前施加在紧固件上并且用于紧固工件；图2为类似于图1的视图，显示出在工具的最小夹持情况下紧固工件的紧固件，并且显示出该工具的锻压砧座处于接合安装状态中；图3为类似于图2的视图，显示出在工具的最大夹持情况下紧固工件的紧固件，并且显示出该工具的锻压砧座处于接合安装状态中；图4为在销的锁紧槽的图3中的的圆圈区域4中取出的放大分解视图；图5为图4的其中一个锁紧槽的分解放大图；图6为类似于图1-3的紧固件的剖视图，并且紧固件为树桩型而不是拖拉型，并且用于紧固用于该紧固件的最大厚度的工件。
优选实施例的详细说明现在参看图1和2，这些图显示出紧固件10包括一销部件12和管状套环14。销部件12具有一细长销体15，它延伸穿过分别位于一对工件18和20中的对准开口16和17以固定在一起。在销体15的一个端部处的扩大突出头部22具有用来通过微小的间隙配合或过盈配合容纳在对准孔道16和17内的笔直部分。在笔直部分24后面为多个圆周延伸的环形锁紧槽26。过渡部分28使锁紧槽26与笔直销体部分24平滑地连接。
易断沟槽40设在锁紧槽26附近并且形成在销体15上的最弱部分。在易断沟槽40和多个拖拉沟槽44之间设有笔直台部42。该台部42其直径相对于销体部分24、锁紧槽26和拖拉沟槽44。拖拉沟槽44用于由可以促动以安置紧固件10的工具48夹持。工具48通常按照本领域普通技术人员所公知的方式构成，因此为了简化起见只显示出部分。简要地说，工具48具有多个用来在拖拉沟槽44处夹持销12的夹爪50。这些夹爪50位于管状夹头组件52中，该夹头组件52可滑动地支撑在中止于锻压砧座部分56中的一个端部处的砧座外壳54中。
对称成形的管状套环14适用于位于销体15上面，并且在将这些工件18、20拉到一起的情况下将于一些锁紧槽26径向对准。通过促动工具48，在销12和套环14之间施加相对轴向力，从而导致锻压砧座部分56将套筒14锻压进销12的锁紧槽26中。在完成锻压时，如图2所示，该销体15将在易断沟槽40处被切断。随后，在进一步促动工具48时，套筒推出部件58将受到向前推压以从砧座部分56将经锻压的套环14推出，因此完成了该安装。图3显示出处于接合安装位置中的紧固件10，其中工件18和20受到最大夹持力，并且工件18和20为紧固件10的最大总体厚度。工件18和20其厚度可以变化1/8英寸，并且因为紧固件10具有双重夹持范围所以仍然能够于本发明的紧固件10紧固在一起。这种方法增加了在紧固具有变化厚度的工件18和20的紧固件10的通用性。
在图4和5中可以最清楚地看出，锁紧槽26和环形脊部60采用独特的设计，它们针对用在其中套筒14为不同材料和强度的多种用途中的具有预定直径的销部件而优化。本发明所采用的优化技术于现有技术的不同之处在于，针对用于特定用途的特定套筒对紧固件进行优化。在本发明中，锁紧槽26和脊部60优化用在多种用途中，其中这些锁紧槽和脊部每个都设有特定用途所需要的最长长度，从而在这些锁紧槽填充有来自具有不同强度的不同套环的各种材料时为该紧固系统提供令人满意的夹紧和拉伸负载以及抵抗在多种用途中失效的能力。该优化设计可以用于涉及使用那种销直径的所有用途，并且使得能够通过采用了普通锁紧槽和脊部几何形状的刀具制造出用于那种销直径的锁紧槽26和脊部60。这个方案降低了与刀具相关的成本。
锁紧槽26能够在锻压期间接收来自套筒14的具有不同强度的材料。可以想到由脊部60分开的锁紧槽26由根部62限定，该根部在一个端部处与前面过渡部分64连接并且在相对端部处与后面的过渡部分66连接。为了设计出用于多种用途中的具有结构一致的锁紧槽26和脊部60的锻压式紧固件，锁紧槽26的长度和脊部60的长度每个都针对用于不同材料的套环14的每个销直径参照用途的夹紧和拉伸负载要求进行优化。例如，采用表1来针对用于多用途的不同材料的套环使用的多个不同销直径的每一个对锁紧槽26和脊部60的长度进行优化。
表1与用于不同用途的各种套环相关的具有各种直径的销部件的最小机械性能
参照由表1针对特定用途所要求的具体夹紧和拉伸负载，如下针对每个销直径的特定用途对锁紧槽26进行优化。
等式1限定了锁紧槽26的可用剪切面积IID主NGW＝剪切面积(等式1)
其中D主为脊部60的主要直径；N为在紧固件10的夹紧范围上由套环14的受锻压材料接合的销部件12的锁紧槽26的最小数量；并且GW为锁紧槽26的槽宽。
等式2限定了能够受控的锁紧槽26的拉伸负载大小T×剪切面积＝拉伸负载 (等式2)其中T为套环14材料的剪切强度；并且剪切面积为从等式1中得到的数值。
在本发明的情况中，针对特定销直径的负载要求对锁紧槽26的GW进行优化以为可以用于所有用途的特定用途的最长沟槽宽度。然后可以将用于特定销直径的特定用途所需要的最长沟槽宽度用作用于那个特定销直径的标准沟槽宽度。在某些实施方案中，针对在剪切用途中的铝2024T4合金对锁紧槽26的GW进行优化。在可选实施方案中，针对在拉伸用途中的钛3Al-2.5V合金对锁紧槽26的GW进行优化。一般来说，铝2024T4合金的强度小于不锈钢303SE合金和钛3Al-2.5V合金，并且不锈钢303SE合金被认为在强度上与钛3Al-2.5V合金大致相等。参见在这里给出用来对材料特性进行比较的表2。通常，本发明的锁紧槽26的GW进行优化以为紧固系统提供相当于或大于客户对于特定用途的拉伸负载要求的百分之一百一十(110％)。
在使用于特定销直径的特定用途的沟槽宽度标准化之后，如下针对每个销直径对脊部60进行优化。
等式3限定了脊部60的可用剪切面积IICDNC′W＝剪切面积(等式3)其中CD为脊部60的有效脊部直径，其中CD大约等于D主-Ch；N为在紧固件10的夹紧范围上由套环14的锻压材料接合的在销部件12上的锁紧槽26的最小数量；并且
C′W为在Ch的大约一般高度处的有效脊部宽度。
等式4限定了可以控制脊部的拉伸负载大小T×剪切面积＝拉伸负载 (等式4)其中T为销部件12的剪切强度；并且剪切面积为从等式3中得出的数值。
针对每个销直径对这些脊部60的C′W进行优化以便能够在拉伸用途中在锁紧槽26填充着由强度强队较高的材料例如钛3Al-2.5V合金形成的套环14时抵抗失效。通常，对于销部件12的各种销直径的大部分而言，在剪切用途中针对铝2024合金对锁紧槽26的Gw进行优化，而在拉伸用途中针对钛3Al-2.5V合金对脊部的C′w进行优化。虽然可以认为这种方法只是部分优化了紧固件10的锁紧槽26和脊部60的设计，因为针对不同用途对锁紧沟槽26和脊部60进行优化，所以这些锁紧槽26和脊部60仍然优选用在多种用途上，因为紧固件10在锁紧槽26填充有不同套环14材料时在多种用途中提供令人满意的夹紧和拉伸负载和抵抗失效的能力。在其它情况中，其中在拉伸用途中锁紧槽26的Gw和脊部60的C′w对于钛3Al-2.5V合金都是优选的，如果针对铝2024T4合金已经对锁紧槽26进行了优化，则锁紧槽26的Gw不大于锁紧槽26的宽度的百分之十(10％)。虽然可以认为这种方法已经针对拉伸用途完全优化了紧固件10的锁紧槽26和脊部60设计，因为锁紧槽26和脊部60两者对于相同用途都得到了优化，但是锁紧槽26和脊部60仍然优选用在多种用途上，因为紧固件10在锁紧槽26填充有不同套环14材料时提供了令人满意的夹紧和拉伸负载和抵抗在多种用途中的失效的能力。
通常，对本发明的脊部60的C′w进行优化以为该紧固系统提供相当于或大于对于特定销直径的特定用途的客户拉伸负载要求的百分之一百二十(120％)。在本发明的优选实施方案中，销部件12由钛6Al-4V合金制成，锁紧槽26的Gw具有针对特定用途所需要的最长沟槽宽度，从而在用于特定销直径的所有用途中提供了令人满意的夹紧和拉伸负载，对这些脊部的C′w60进行优化以避免在锁紧槽26填充有钛3Al-2.5V合金并且销直径落入在大约5/32英寸至约1/2英寸时失效。
在这些锁紧槽26和脊部60在多个不同销直径的每一个中对于特定用途都得到优化之后，选择具有预定材料和所计算出的外径的适当套环14以便锻压进锁紧槽26中以为该紧固系统针对选定用途提供令人满意的夹紧和拉伸负载。通常，由铝2024合金制成的套环14将用在剪切用途中，并且由不锈钢303SE合金或钛3Al-2.5V合金制成的套环14将用在剪切/拉伸或拉伸用途中。为了针对每个用途获得所期望的夹紧和拉伸负载，通过试验对套环14的计算外径进行改变同时使锁紧槽26和脊部60的几何形状以及锻压砧座56部分的喉部直径(图1的Da)保持恒定。通过试验，由不同材料形成的变化套环14的外径仅仅在外径上稍微不同，这使得能够用具有一致锻压砧座空腔的锻压砧座56将变化的套环14锻压进锁紧槽26中以便用于剪切、剪切/拉伸、剪切复合和剪切/拉伸复合用途。已经发现，具有大约相同外径的套环14在拉伸和拉伸复合用途中工作不是很好。因此，对于拉伸和拉伸复合用途可以采用具有更大外径的套环14和不同的锻压砧座56。
这种一致的锻压砧座部分56为用户提供了能够针对用于特定销直径的许多用途采用普通安装工具48安装套环14的额外益处。这个特征为紧固件10的用户提供了以下好处，即只需要针对用在剪切、剪切/拉伸、剪切复合和剪切/拉伸复合用途中的特定销直径保持具有一致锻压砧座部分56的单个工具的库存。这个方案将使操作人员在用在用于特定销直径的其它用途中的工具中更换锻压砧座所需要的时间最少。可以理解的是，由于这种方案而导致的对于最终用户的劳力节约是相当大的。
在表1中所给出用来设计本发明的紧固系统的负载要求对于用在商业和军事飞船领域中的剪切、剪切/拉伸和拉伸用途中的负载要求也是有用的，因为这两种非常具有类似的用于剪切、剪切/拉伸和拉伸用途的负载要求范围。因此，本发明的紧固系统对于用在商业和军事飞船用途而言额外有价值。
从表1中可以看出，在剪切、剪切/拉伸或拉伸用途中对于用于每种销直径的优化锁紧槽26和脊部60可以采用不同的套环材料以获得各种拉伸和夹紧负载。应该指出的是，不同的用途可能需要与其它用途相比或多或者或少的锁紧槽26。在任一点上，对于特定的销直径，锁紧槽26和脊部60几何形状都保持恒定。还有，对于拖拉型锻压紧固件而言，不同的用途可能需要适用于在基于用于特定用途的锻压负载要求的不同大小的轴向拉伸力处断裂的易断槽40。相反，树桩型紧固件具有易断沟槽的限制，因为这种紧固件没有易断槽。还有，可以有这样一些用途，其中可以采用可拆卸芯棒来代替可割断的销尾或者具有螺纹外部驱动器和/或用于内部驱动器的螺纹芯棒，例如在美国专利5604968中所示的。在本发明的优选实施方案中，每个销直径的优选锁紧槽26能够接收用于各种用途的由各种材料例如钛、钢和铝合金形成的套环14。可以理解的是，由不同材料形成的套环14为特定销直径的优选锁紧槽26和脊部60提供各种预选定的夹紧和拉伸负载。
表1涉及金属例如铝紧固工件18和20。应该理解的是，可以为其中工件18和20由复合材料制成的用途提供类似的数值表。虽然套环14显示作为在图1-3中的用于固定金属工件18和20的管状套环14，但是也可以采用凸缘型套环来固定由复合材料制成的工件。还有，虽然对在表1中由铝2024T4合金、钛3Al-2.5V合金和钢303SE合金制成的套环给予了特别的注意，但是本领域普通技术人员将理解的是，对于具有带有几何形状一致的锁紧槽26和脊部60的销12的套环14可以采用其它铝合金、其它钛合金、其它钢合金或其它金属合金或材料，并且可以为剪切、剪切/拉伸或其它用途提供不同的拉伸和夹紧负载。
下面的实施例阐明了在剪切、剪切/拉伸和拉伸用途之间的剪切和拉伸强度大小。
实施例1
对于5/32英寸销直径的最小剪切强度(ksi)和最小拉伸要求(磅)
从实施例1中可以看出，在剪切和拉伸用途之间的剪切强度比例大约为64％，并且在剪切和拉伸用途之间的拉伸强度比例大约为61％。
实施例2对于7/16英寸销直径的最小剪切强度(ksi)和最小拉伸要求(磅)
从实施例2中可以看出，在剪切和拉伸用途之间的剪切强度比例大约为64％，并且在剪切和拉伸用途之间的拉伸强度比例大约为50％。
另外，从图5中可以看出，本发明的紧固件还由下面的关系所限定P＝Gw+CwRR＝GwCh＝4IBR对于5/32至1/2英寸的销直径而言等于0.005英寸。
本发明的紧固件还由以下关系所限定对于3/8、7/16和1/2英寸的销部件直径而言，Ch等于Ds×0.03125对于5/32、3/16、7/32、1/4和5/16英寸的销部件直径而言，Ch等于(Ds×0.03125)+0.002在上面的关系中P＝节距Gw＝锁紧槽26宽度；
Cw＝脊部60宽度；RR＝根部半径；Ch＝脊部60高度；I＝在根部半径的水平切线以及根部62和尾部66的相交部分的水平切线之间的距离；Ds＝笔直部分24的直径；以及BR＝弯曲半径。
在本发明的一个形式中，前面过渡部分64设置成与垂直于销12的轴线的平面成40度夹角，同时后面过渡部分66设置成更陡20度。前面部分64的角度便于套环14材料在锻压中流动，而更陡峭的后面部分66提供了支持效果以包含受锻压的套环材料。该支持效果便于在套环14在锻压期间延伸时夹紧工件18和20。过渡部分64和66与圆形根部62相交，由此提供平滑的过渡。
采用这种锁紧槽26结构，最好为该套环14设置这样一种体积，从而当锻压进锁紧槽26中时，它将具有超过填充锁紧槽26所需要的体积。在一个实施方案中，套环14的体积选择为提供′过填充′，即套环14的体积提供了比它通常可以容纳在由砧座56的锻压空腔的喉部36限定的锻压封套内并且面对着销12的部分基本上更大体积的用于填充锁紧槽26的套环材料(参见图1)。在当前系统中，已经发现对于所采用的各种套环14材料提供超过至少大约17％至大约25％的套环材料体积。所给出的百分比′过填充′或′过填充′通常可以由以下关系式确定用于喉部36的有效挤压部分(参见图1)的有限长度 其中Da为砧座56的喉部36的直径；Dc为在锻压之前套环14的外径；ID为在锻压之前套环14的内径；Dm为锁紧槽26的平均直径；并且
dl被认为是在喉部36的锻压部分内的有限长度。
还可以期望的是，销部件12相对于套环14的硬度应该足够硬以抵抗来自不同套环材料的高压缩锻压负载的挤压或基本上拉伸屈服。在优选实施方案中，已经发现在表2中给出的销部件12和套环14的以下材料性能满足了本发明的紧固系统的要求。
表2销部件和套环的材料性能
一般来说，在本发明中，最好采用销部件12和套环14来提供具有理想夹紧强度和销屈服应力的紧固系统，以便为销部件12提供足够的硬度以基本上没有屈服地接受在套环14上的高拉伸预负载和锻压负载。为了实现高夹紧负载，套环14必须具有足够的壁厚，因此具有足够的体积以确保足够的套环材料将在拉伸中轴向运动。同时，要求受到锻压的套环具有足够的壁厚，因此具有足够的强度以抵抗从锁紧槽26返回的任意明显的弹簧力。套环壁还应该具有足够的壁厚以抵抗在拉伸负载下的明显径向膨胀，从而脊部60和套环台肩在到达在连接部分上的设计拉伸负载时保持在基本上完全接合。如果壁没有提供足够的径向刚度，则套环14会在拉伸负载作用下径向膨胀，从而降低了承载该负载的有效剪切平面。结果在脊部60或套环14台肩的顶端处在剪切中出现永久失效。在这一点上，套环14的所要求壁厚将作为其直径Dc的函数增加。因此，最终受锻压的壁厚必须足以承受至少最小设计拉伸负载，从而失效将在剪切中大体上在套环14的最大有效剪切平面上出现。如果套环壁太厚，则它将阻碍锻压并且需要过大的安装负载。
因此，套环壁厚选择为提供必要的材料以促进锻压进锁紧槽26中，并且在销部件12的延伸中流动以提供所要求的夹紧负载。同时，在最终锻压处的套环壁厚也选择为提供足够的径向刚度或环强度以抵抗在初始锻压期间并且还有在随后的拉伸加载下从锁紧槽26返回的明显的径向弹簧力。还有，套环14和锻压空腔36的体积选择为使得套环14的材料运动进入锁紧槽26以确保良好的填充。在该发明中，已经发现锁紧槽26的大约为17％-25％的过填充提供了令人满意的结果。在这一点上，明显低于17％的过填充不会提供所要求的高预负载，同时明显高于25％的过填充会导致过大的安装负载，这会使销部件12屈服。
图1-3的这些实施方案显示出拖拉型紧固件；但是本发明的特征也适用于在图6中所示的树桩型紧固件。在图6的实施方案的说明中，与在图1-3的实施方案中的部件类似的部件赋予相同的数字标识加上字母下标“b”。除了图1-3的拖拉部分之外，在图6的实施方案中设有在图1-3的实施方案中所提供的紧固件10的其它元件，并且为了简明起见，图6在这里将只是简要地该处，因为本领域普通技术人员将理解的是，图6的紧固件10b在设计和操作上与图1-3的紧固件10类似。
现在参照图6，该图显示出紧固件10b包括销部件12b和管状套环14b。销部件12b具有延伸穿过分别位于一对工件18b和20b中的对准开口16b和17b的细长柄部15b以固定在一起。在销体15b的一个端部处的头部22b接合工件18b的一个侧面。在头部22附近，销体15b具有用来以微小的间隙配合或过盈配合容纳在孔16b和17b内的笔直部分24b。在笔直部分24b之后为多个圆周延伸的环形锁紧槽26b。过渡部分28b使锁紧槽26b与笔直销体部分24b连接。
紧固件10b用来由挤压型工具组件48b设定，该工件可以按照本领域所属技术人员所公知的方式构成，因此为了简化起见只是部分显示出。简要地说，该工具48b包括终止在锻压砧座部分56b中的一个端部处的砧座外壳54b和顶撞部件49。
对称形成的管状套环14b适用于位于销体15b上面，并且在工件18b、20b一起运动的情况下将与一些锁紧槽26b径向对准。通过促动工具48b，锻压砧座部分56b相对于套环14b运动，并且顶撞部件49抵抗由此施加的轴向力；所得到的推压力使得工件18b和20b被压在一起。在该相对力增加时，锻压砧座部分56b将在套环14b上运动，从而导致将套环14b锻压进销12b的锁紧槽26b中。随后，随着进一步促动工具48b，将从受锻压套环14b中将砧座部分56b拆除。
要指出的是，在图6的树桩类型中，砧座部分56b将提供相同所期望的套环14b过填充进锁紧槽26b中，从而导致在销12b的屈服点的紧固连接位置上的理想高保持的预负载。虽然套环14b在图6中显示作为用于固定金属工件18b和20b的管状套环，但是可以使用凸缘型套环来固定由复合材料制成的工件。
权利要求
1.一种紧固系统，它包括锻压式紧固件，用于在紧固连接位置处将多个工件固定在一起，该紧固系统包括(a)一销部件，它具有直径预定并且适用于设在工件中的对准开口中的细长销体，并且在一个端部处终止在放大头部中，而且在其相对端部处终止在包括多个圆周延伸的锁紧槽和脊部的开槽部分中；(b)一管状套环，适用于被锻压进锁紧槽中，由此将这些工件紧固在一起以形成紧固连接，该套环在受到锻压时具有与锁紧槽和脊部互锁的套环沟槽和台肩，销部件和套环由剪切强度不同的材料制成，并且销部件与套环的剪切强度比值设置成基本上避免销部件在锻压中被压坏；(c)该销部件具有经过优化的锁紧槽和脊部几何形状，经优化的锁紧槽和脊部几何形状适用于容纳来自由不同材料制成的多个套环以便在具有不同负载要求的多种不同用途中固定工件，其中锁紧槽设有对于第一个用途而言具有较低强度或者对于第二个用途而言具有更大强度的套环所需要的最长宽度，并且脊部设有对于第一个用途而言具有较低强度或者对于第二个用途而言具有更大强度的套环所需要的最长宽度，由此紧固系统在锁紧槽填充有不同套环材料时将在多个用途中提供令人满意的夹紧和拉伸负载以及抵抗失效的能力；(d)销部件的锁紧槽和脊部几何形状其结构在多个用途中一致，并且一个或多个销部件为共同的直径；并且(e)在第二用途中的锁紧槽宽度不大于在第一用途中的锁紧槽宽度的百分之十。
2.如权利要求1所述的紧固系统，其中具有共同直径的销部件的用途为剪切、剪切/拉伸、拉伸、剪切复合、剪切/拉伸复合或拉伸复合用途。
3.如权利要求1所述的紧固系统，其中强度更低的套环其剪切强度为强度更高的套环的剪切强度的大约64％。
4.如权利要求1所述的紧固系统，其中强度更低的套环由铝合金制成，第一个用途为剪切用途，强度更高的套环由钛合金制成并且第二用途为拉伸用途。
5.如权利要求1所述的紧固系统，其中套环由钛合金、铝合金或钢合金制成。
6.如权利要求1所述的紧固系统，其中所述锁紧槽在17％至25％的范围中过填充。
7.如权利要求1所述的紧固系统，其中所述工件由金属、复合材料或其组合物制成。
8.如权利要求1所述的紧固系统，其中所述用途为剪切、剪切/拉伸、剪切复合或剪切/拉伸复合用途，并且在这些用途中所使用的不同材料的套环具有大约相同的外径，并且适用于使用具有其锻压空腔一致的锻压砧座的安装工具锻压进销部件的锁紧槽中。
9.如权利要求1所述的紧固系统，其中紧固系统适用于紧固其厚度变化为1/8英寸的工件。
10.一种紧固系统，它包括锻压式紧固件，用于将多个工件在紧固连接位置中紧固在一起，该紧固系统包括(a)一销部件，它具有直径预定并且适用于设在工件中的对准开口中的细长销体，并且在一个端部处终止在放大头部中，而且在其相对端部处终止在包括多个圆周延伸的锁紧槽和脊部的开槽部分中；(b)一管状套环，适用于被锻压进锁紧槽中，由此将这些工件紧固在一起以形成紧固连接，该套环在受到锻压时具有与锁紧槽和脊部互锁的套环沟槽和台肩，销部件和套环由剪切强度不同的材料制成，并且销部件与套环的剪切强度比值设置成基本上避免销部件在锻压中被压坏；(c)该销部件具有经过优化的锁紧槽和脊部几何形状，经优化的锁紧槽和脊部几何形状适用于容纳来自由不同材料制成的多个套环以便在具有不同负载要求的多种不同用途中固定工件，其中锁紧槽设有对于第一个用途而言具有较低强度或者对于第二个用途而言具有更大强度的套环所需要的最长宽度，并且脊部设有对于第一个用途而言具有较低强度或者对于第二个用途而言具有更大强度的套环所需要的最长宽度，由此紧固系统在锁紧槽填充有不同套环材料时将在多个用途中提供令人满意的夹紧和拉伸负载以及抵抗失效的能力；并且(d)销部件的锁紧槽和脊部几何形状其结构在多个用途中一致，并且一个或多个销部件为共同的直径。
11.如权利要求10所述的紧固系统，其中具有共同直径的销部件的用途为剪切、剪切/拉伸、拉伸、剪切复合、剪切/拉伸复合或拉伸复合用途。
12.如权利要求10所述的紧固系统，其中强度更低的套环其剪切强度为强度更高的套环的剪切强度的大约64％。
13.如权利要求10所述的紧固系统，其中强度更低的套环由铝合金制成，第一个用途为剪切用途，强度更高的套环由钛合金制成并且第二用途为拉伸用途。
14.如权利要求10所述的紧固系统，其中套环由钛合金、铝合金或钢合金制成。
15.如权利要求10所述的紧固系统，其中所述锁紧槽在17％至25％的范围中过填充。
16.如权利要求10所述的紧固系统，其中所述工件由金属、复合材料或其组合物制成。
17.如权利要求10所述的紧固系统，其中所述用途为剪切、剪切/拉伸、剪切复合或剪切/拉伸复合用途，并且在这些用途中所使用的不同材料的套环具有大约相同的外径，并且适用于使用具有其锻压空腔一致的锻压砧座的安装工具锻压进销部件的锁紧槽中。
18.如权利要求10所述的紧固系统，其中紧固系统适用于紧固其厚度变化为1/8英寸的工件。
19.如权利要求10所述的紧固系统，其中在第二用途中的锁紧槽宽度不大于在第一用途中的锁紧槽宽度的百分之十。
10.一种紧固系统，它包括锻压式紧固件，用于将多个工件在紧固连接位置中紧固在一起，该紧固系统包括(a)一销部件，它具有直径预定并且适用于设在工件中的对准开口中的细长销体，并且在一个端部处终止在放大头部中，而且在其相对端部处终止在包括多个圆周延伸的锁紧槽和脊部的开槽部分中；(b)一管状套环，适用于被锻压进锁紧槽中，由此将这些工件紧固在一起以形成紧固连接，该套环在受到锻压时具有与锁紧槽和脊部互锁的套环沟槽和台肩，销部件和套环由剪切强度不同的材料制成，并且销部件与套环的剪切强度比值设置成基本上避免销部件在锻压中被压坏；(c)该销部件具有经过优化的锁紧槽和脊部几何形状，经优化的锁紧槽和脊部几何形状适用于容纳来自由不同材料制成的多个套环以便在具有不同负载要求的多种不同用途中固定工件，其中锁紧槽设有对于第一个用途而言具有较低强度的套环所需要的最长宽度，并且脊部设有对于第二个用途而言具有更大强度的套环所需要的最长宽度，由此紧固系统在锁紧槽填充有不同套环材料时将在多个用途中提供令人满意的夹紧和拉伸负载以及抵抗失效的能力；并且(d)销部件的锁紧槽和脊部几何形状其结构在多个用途中一致，并且一个或多个销部件为共同的直径。
21.如权利要求20所述的紧固系统，其中具有共同直径的销部件的用途为剪切、剪切/拉伸、拉伸、剪切复合、剪切/拉伸复合或拉伸复合用途。
22.如权利要求20所述的紧固系统，其中强度更低的套环其剪切强度为强度更高的套环的剪切强度的大约64％。
23.如权利要求20所述的紧固系统，其中强度更低的套环由铝合金制成，第一个用途为剪切用途，强度更高的套环由钛合金制成并且第二用途为拉伸用途。
24.如权利要求20所述的紧固系统，其中套环由钛合金、铝合金或钢合金制成。
25.如权利要求20所述的紧固系统，其中所述锁紧槽在17％至25％的范围中过填充。
26.如权利要求20所述的紧固系统，其中所述工件由金属、复合材料或其组合物制成。
27.如权利要求20所述的紧固系统，其中所述用途为剪切、剪切/拉伸、剪切复合或剪切/拉伸复合用途，并且在这些用途中所使用的不同材料的套环具有大约相同的外径，并且适用于使用具有其锻压空腔一致的锻压砧座的安装工具锻压进销部件的锁紧槽中。
28.如权利要求20所述的紧固系统，其中紧固系统适用于紧固其厚度变化为1/8英寸的工件。
30.一种设计用在紧固系统中的锻压式紧固件的方法，该方法包括(a)获得多个不同用途的夹紧和拉伸负载要求；(b)为具有预选销直径的销部件设置细长的销体和扩大的头部；(c)为该销部件设置由具有共同几何形状的多个圆周延伸的锁紧槽和脊部构成的开槽部分；(d)将管状套环设置并且定位在包围着锁紧槽和脊部的销体上；(e)通过为锁紧槽设置对于第一用途而言具有较低强度或者对于第二用途具有第二强度的套环所需要的最长宽度来优化共同锁紧槽几何形状；(f)通过为脊部设置对于第二用途具有更大强度的套环所需要的最长宽度来优化脊部几何形状；(g)用具有共同直径的一个或多个销部件使用于多个用途中的销部件的优化锁紧槽和脊部几何形状标准化；并且(h)使锁紧槽在第二用途中的宽度不大于锁紧槽在第一用途中的宽度的百分之十。
30.如权利要求29所述的紧固系统，其中具有共同直径的销部件的用途为剪切、剪切/拉伸、拉伸、剪切复合、剪切/拉伸复合或拉伸复合用途。
31.如权利要求29所述的紧固系统，其中强度更低的套环其剪切强度为强度更高的套环的剪切强度的大约64％。
32.如权利要求29所述的紧固系统，其中强度更低的套环由铝合金制成，第一个用途为剪切用途，强度更高的套环由钛合金制成并且第二用途为拉伸用途。
33.如权利要求29所述的紧固系统，其中套环由钛合金、铝合金或钢合金制成。
34.如权利要求29所述的紧固系统，其中所述锁紧槽在17％至25％的范围中过填充。
35.如权利要求29所述的紧固系统，其中所述工件由金属、复合材料或其组合物制成。
36.如权利要求29所述的紧固系统，其中所述用途为剪切、剪切/拉伸、剪切复合或剪切/拉伸复合用途，并且在这些用途中所使用的不同材料的套环具有大约相同的外径，并且适用于使用具有其锻压空腔一致的锻压砧座的安装工具锻压进销部件的锁紧槽中。
37.如权利要求29所述的紧固系统，其中紧固系统适用于紧固其厚度变化为1/8英寸的工件。
全文摘要
一种紧固系统(10)，它包括具有一销部件(24)的紧固件，该销部件的锁紧槽(26)和脊部几何形状优化成接收来自由不同强度材料构成的套环(14)的受锻压材料，以便针对不同负载用途将工件(18，20)固定。这些锁紧槽(26)具有对于第一用途而言强度较低或者对于第二用途而言强度较高的套环所需要的最长宽度，并且脊部具有对于第二用途强度较大的套环所需要的最长宽度，由此在锁紧槽(26)中填充有强度不同的套环材料时将导致令人满意的夹紧和拉伸负载以及抵抗失效的能力。锁紧槽(26)和脊部的几何形状对于具有共同直径的销部件的多个用途而言具有一致的结构。某些不同材料的套环(14)具有相似的外径，以便通过具有带有一致锻压空腔的锻压砧座(56)的工具(48)进行安装，所述锻压砧座将套环(14)锻压进锁紧槽中以便在剪切、剪切/拉伸、剪切复合和剪切/拉伸复合用途中紧固工件。还披露了一种设计紧固件的方法，该紧固件具有用在多种用途中的一致的锁紧槽和脊部几何形状。
文档编号F16B19/04GK1653276SQ03810204
公开日2005年8月10日 申请日期2003年2月19日 优先权日2002年6月28日
发明者托马斯·E·哈宾, 汪海涛, 迈克尔·U·马奇 申请人:赫克国际公司